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9.1 I legami ionici si formano per trasferimento di elettroni 9.2 I simboli di Lewis evidenziano gli elettroni di valenza 9.3 I legami covalenti si formano.

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1 9.1 I legami ionici si formano per trasferimento di elettroni 9.2 I simboli di Lewis evidenziano gli elettroni di valenza 9.3 I legami covalenti si formano per condivisione di elettroni 9.4 I composti del carbonio illustrano la varietà delle strutture generate dai legami covalenti 9.5 I legami covalenti possono presentare cariche parziali alle loro estremità 9.7 È importante saper scrivere le formule di struttura di Lewis 9.8 Entrambi gli elettroni di un legame covalente di coordinazione provengono dallo stesso atomo CAPITOLO 9 Copyright © 2008 Zanichelli editore

2 9.1 I legami ionici si formano per trasferimento di elettroni 9 LEGAMI CHIMICI I composti ionici si formano quando reagiscono insieme metalli e non metalli. L’attrazione tra ioni positivi e ioni negativi si chiama legame ionico. I composti ionici si formano perché l’energia potenziale del sistema diminuisce. Esaminiamo l’esempio del cloruro di sodio.

3 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI IONICI SI FORMANO PER TRASFERIMENTO DI ELETTRONI La variazione energetica che accompagna la formazione di NaCl può essere calcolata utilizzando l’energia di ionizzazione del sodio, l’affinità elettronica del cloro e l’energia reticolare di NaCl. L’energia reticolare è l’energia necessaria per separare completamente tra loro gli ioni presenti in una mole di un certo composto per formare una nube di ioni gassosi.

4 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI IONICI SI FORMANO PER TRASFERIMENTO DI ELETTRONI Facendo riferimento a una sola mole: Na(g)  Na + (g) + e kJ (EI del sodio) Cl(g) + e -  Cl - (g) kJ (AE del cloro) Na + (g)+Cl - (g)  NaCl(s) kJ (-energia reticolare) Totale: kJ L’energia reticolare rappresenta il principale contributo alla stabilità di un qualsiasi composto ionico. Permette di superare la spesa energetica necessaria per la formazione degli ioni dagli elementi.

5 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI IONICI SI FORMANO PER TRASFERIMENTO DI ELETTRONI Le configurazioni dei gas nobili sono molto stabili e ci permettono di prevedere la carica che assumerà uno ione. Consideriamo il caso del sodio: Na(g)  Na + (g)+e - EI= 466 kJ/mol Na + (g)  Na 2+ (g)+e - EI=4563 kJ/mol Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Na + 1s 2 2s 2 2p 6 (configurazione di un gas nobile) Na 2+ 1s 2 2s 2 2p 5 La formazione di Na + non richiede molta energia. Na 2+ non si forma perché la rottura della struttura del core 2s 2 2p 6 richiede molta energia.

6 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI IONICI SI FORMANO PER TRASFERIMENTO DI ELETTRONI Tutti i gas nobili (eccetto He) hanno 8 elettroni di valenza. La maggior parte degli elementi rappresentativi tende ad acquistare o a cedere elettroni in modo da raggiungere la configurazione del gas nobile più vicino (regola dell’ottetto). In altre parole gli atomi tendono ad acquistare o a cedere elettroni in modo da disporre nel livello più esterno di un ottetto di elettroni. Esempio: Na e K perdono elettroni per raggiungere l’ottetto mentre Cl o O acquistano elettroni per raggiungere l’ottetto.

7 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI IONICI SI FORMANO PER TRASFERIMENTO DI ELETTRONI La regola dell’ottetto, per i composti ionici, funziona bene per i metalli dei Gruppi IA e IIA dal terzo periodo in poi, e per gli anioni dei non metalli La regola dell’ottetto non vale: per Li, Be perché raggiungono la configurazione elettronica dell’elio, He (1s 2 ); per l’idrogeno che può formare lo ione H- (configurazione elettronica: 1s 2 ) quando reagisce con metalli molto reattivi; per gli elementi di transizione e di post-transizione che formano ioni con carca +2 per allontanamento dei due elettroni s più esterni e ioni con carica non semplice da prevedere per allontanamento degli elettroni d.

8 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI IONICI SI FORMANO PER TRASFERIMENTO DI ELETTRONI Regola dell’ottetto e tavola periodica

9 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.2 I simboli di Lewis evidenziano gli elettroni di valenza 9 LEGAMI CHIMICI I simboli di Lewis evidenziano gli elettroni di valenza. Il simbolo di Lewis si ottiene scrivendo il simbolo dell’elemento circondato da punti che rappresentano gli elettroni di valenza. Tutti gli elementi in un gruppo hanno simboli di Lewis simili perché posseggono lo stesso numero di elettroni di valenza. I simboli di Lewis possono essere utilizzati anche per descrivere la formazione di ioni.

10 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.3 I legami covalenti si formano per condivisione di elettroni 9 LEGAMI CHIMICI Molte sostanze che presentano solo non-metalli si presentano come molecole. Le molecole si formano per condivisione di elettroni. A) Due atomi di H si avvicinano. B) Le loro densità elettroniche vengono attratte nella zona compresa tra i due nuclei. C) La densità elettronica si concentra fra i due nuclei. La forza di attrazione dovuta alla condivisione di elettroni è detta legame covalente.

11 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI SI FORMANO PER CONDIVISIONE DI ELETTRONI I legami covalenti sono caratterizzati dalla lunghezza di legame (distanza media tra i nuclei) e dall’energia di legame (quantità di energia che viene rilasciata quando si forma il legame). L’energia della molecola di idrogeno raggiunge un valore minimo quando le forze di attrazione e di repulsione si equivalgono.

12 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI SI FORMANO PER CONDIVISIONE DI ELETTRONI I simboli di Lewis possono essere usati per rappresentare gli elettroni condivisi. Si considera ciascun atomo di idrogeno come se avesse due elettroni. Per semplicità la coppia di elettroni condivisi può essere rappresentata con un trattino. Esempio: la molecola di idrogeno può essere rappresentata H-H. Una formula descritta con i simboli di Lewis è chiamata formula di Lewis o struttura di Lewis.

13 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI SI FORMANO PER CONDIVISIONE DI ELETTRONI Il termine formula di struttura viene adoperato perché indica come gli atomi presenti nella molecola si legano tra loro. Molte molecole obbediscono alla regola dell’ottetto. Gli atomi che formano legami covalenti tendono a condividere un numero di elettroni tale da consentire il completamento del livello di valenza con otto elettroni. Nella maggior parte dei loro composti molecolari carbonio, azoto e ossigeno formano rispettivamente quattro, tre e due legami covalenti.

14 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI SI FORMANO PER CONDIVISIONE DI ELETTRONI Il legame formato dalla condivisione di una coppia di elettroni è detto legame singolo. È comune la formazione di legami doppi e tripli. Esempi: Diossido di carbonio Azoto

15 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.4 I composti del carbonio illustrano la varietà delle strutture generate dai legami covalenti 9 LEGAMI CHIMICI Molti dei composti che incontriamo nella vita quotidiana sono composti organici. I più semplici idrocarburi sono gli alcani che hanno formula generale C n H 2n+2. I primi tre alcani sono: metano, etano, propano- In forma condensata: metano: CH 4 etano: CH 3 CH 3 propano: CH 3 CH 2 CH 3

16 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I COMPOSTI DEL CARBONIO ILLUSTRANO LA VARIETÀ DELLE STRUTTURE GENERATE DAI LEGAMI COVALENTI Con quattro atomi di carbonio esistono due modi diversi di disporre gli atomi. Gli idrocarburi che contengono un doppio legame hanno formula generale C n H 2n e sono chiamati alcheni. Gli idrocarburi che contengono tripli legami hanno formula generale CnH 2n-2 e sono chiamati alchini. etene: CH 2 =CH 2 (etilene) etino: CH ≡ CH (etino)

17 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I COMPOSTI DEL CARBONIO ILLUSTRANO LA VARIETÀ DELLE STRUTTURE GENERATE DAI LEGAMI COVALENTI Molti composti organici contengono anche ossigeno e azoto. Vengono considerati derivati dagli idrocarburi per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno. Il simbolo “R” indica un radicale idrocarburico come CH 3 -, o CH 3 CH 2 -. Le principali classi di composti organici sono: alcoli, aldeidi, chetoni, acidi, ammine.

18 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I COMPOSTI DEL CARBONIO ILLUSTRANO LA VARIETÀ DELLE STRUTTURE GENERATE DAI LEGAMI COVALENTI Principali classi di composti organici contenti ossigeno e azoto

19 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I COMPOSTI DEL CARBONIO ILLUSTRANO LA VARIETÀ DELLE STRUTTURE GENERATE DAI LEGAMI COVALENTI Alcune strutture molecolari acetone formaldeide metilammina

20 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.5 I legami covalenti possono presentare cariche parziali alle loro estremità 9 LEGAMI CHIMICI Quando due atomi uguali formano un legame covalente gli elettroni condivisi si ripartiscono in modo equo. Quando si combinano due atomi diversi un nucleo attrae con maggior forza gli elettroni di legame rispetto all’altro. L’elettronegatività è il termine usato per descrivere l’attrazione di un atomo nei confronti degli elettroni in un legame.

21 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI POSSONO PRESENTARE CARICHE PARZIALI ALLE LORO ESTREMITÀ A) La densità elettronica della coppia di legame è distribuita uniformemente tra i due atomi di H a formare un legame covalente non polare. B) La densità elettronica nella molecola di HCl è spostata in modo netto dalla parte del Cl portando ad una parziale separazione della carica e quindi a un legame covalente polare.

22 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI POSSONO PRESENTARE CARICHE PARZIALI ALLE LORO ESTREMITÀ In generale l’elettronegatività aumenta in un Gruppo procedendo dal basso verso l’alto e in un Periodo da sinistra a destra.

23 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI POSSONO PRESENTARE CARICHE PARZIALI ALLE LORO ESTREMITÀ L’elemento con il maggior valore di elettronegatività acquista una parziale carica negativa. La differenza di elettronegatività indica il grado di polarità di un legame covalente. Non esiste una linea di separazione netta fra il legame ionico e il legame covalente. Un legame è prevalentemente ionico quando la differenza di elettronegatività fra i due atomi è molto grande.

24 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI POSSONO PRESENTARE CARICHE PARZIALI ALLE LORO ESTREMITÀ Il grado di polarità di un legame, o carattere ionico, varia in modo continuo al variare della differenza di elettronegatività. Il legame risulta al 50% ionico quando la differenza di elettronegatività è 1,7.

25 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI POSSONO PRESENTARE CARICHE PARZIALI ALLE LORO ESTREMITÀ La reattività dei metalli fa riferimento alla loro tendenza a ossidarsi. Più basso è il valore dell’elettronegatività più alta è la tendenza del metallo ad ossidarsi. I metalli più facilmente ossidabili si trovano all’estrema sinistra della tavola periodica.

26 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 I LEGAMI COVALENTI POSSONO PRESENTARE CARICHE PARZIALI ALLE LORO ESTREMITÀ Per i non-metalli la reattività è valutata in base alla loro capacità ossidante. La capacità ossidante dei non-metalli aumenta da sinistra a destra in un Periodo e dal basso verso l’alto in un Gruppo. L’ossidante più energico è il fluoro. Sono molto comuni le reazioni di spostamento. Un alogeno di un elemento è in grado di ossidare l’anione dell’alogeno posto più in basso nel gruppo: F 2 è in grado di ossidare Cl -, Br -, and I - Esempio: F 2 + 2Cl-  2F- + Cl 2

27 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.6 È importante saper scrivere le formule di struttura di Lewis 9 LEGAMI CHIMICI Le strutture di Lewis permettono di scrivere correttamente le strutture delle molecole Se la struttura che dobbiamo rappresentare è quella di uno ione si deve aggiungere o sottrarre un elettrone di valenza per ciascuna carica negativa o positiva.

28 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.7 La risonanza: quando le strutture di Lewis falliscono 9 LEGAMI CHIMICI La lunghezza di legame e l’energia di legame dipendono dal numero di coppie di elettroni condivise. La molecola di idrogeno ha una lunghezza di legame di 75 pm e un’energia di legame di 435 kJ/mol. L’ordine di legame è il numero di coppie di elettroni condivise far due atomi.

29 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 LA RISONANZA: QUANDO LE STRUTTURE DI LEWIS FALLISCONO I legami singoli, doppi e tripli hanno rispettivamente ordine di legame 1,2,3. L’ordine di legame è una misura della densità elettronica presente in un legame fra due atomi. Maggiore è la densità elettronica minore è la distanza tra i nuclei e più grande è l’energia.

30 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 LA RISONANZA: QUANDO LE STRUTTURE DI LEWIS FALLISCONO Esistono molecole o ioni per i quali non riusciamo a a scrivere strutture di Lewis in accordo con misure sperimentali. Un esempio è lo ione formiato. La formula di Lewis determinata è la seguente: I dati sperimentali indicano però che tutti i legami C−O sono uguali.

31 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 LA RISONANZA: QUANDO LE STRUTTURE DI LEWIS FALLISCONO La struttura reale della molecola può essere rappresentata solo dall’insieme delle possibili strutture di Lewis. Queste strutture sono chiamate strutture di risonanza e la struttura reale dello ione è definita un ibrido di risonanza.

32 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9 LA RISONANZA: QUANDO LE STRUTTURE DI LEWIS FALLISCONO L’energia complessiva di un ibrido di risonanza è minore rispetto a quella di ciascuna delle strutture di risonanza. La maggiore stabilità dovuta alla risonanza viene detta energia di risonanza. Il benzene ha una struttura esagonale planare ed è un ibrido di risonanza. La sua energia di risonanza è di circa 146 kJ/mol.

33 Copyright © 2008 Zanichelli editore 9.8 Entrambi gli elettroni di un legame covalente di coordinazione provengono dallo stesso atomo 9 LEGAMI CHIMICI Consideriamo la formazione dello ione ammonio da ammoniaca e ione H + in soluzione acquosa. L’azoto dona entrambi gli elettroni per formare il legame con H +. Questo tipo di legame è chiamato legame covalente di coordinazione. Il concetto di legame covalente di coordinazione è importante per capire cosa accade durante la formazione del legame.


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